DE3605995C2 - Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers und zur Erzeu­ gung eines Wechselsignals, dessen Frequenz zu der Winkelgeschwindigkeit proportional ist, mit einem als Zahnscheibe ausgebildeten Meßwertgeber, der sich mit dem Körper dreht, mit einem feststehenden, an der Peripherie der Zahnscheibe durch einen Luftspalt getrennt angeordneten Meß­ wertaufnehmer, der eine von einem Gleichstrom durchflossene Erregerwicklung und eine Meßwicklung besitzt, in der bei einer Drehbewegung der Zahnscheibe infolge der durch die Drehbewegung hervorgerufenen Magnetfeldänderung ein Meßsignal als das Aus­ gangssignal des Meßwertaufnehmers induziert wird. Die Erreger­ wicklung und die Meßwicklung sind dabei auf einem gemeinsamen Spulenkern aufgebracht, der eine der Zahnscheibe zugewandte Polseite besitzt, die den von dem Magnetfeld durchsetzten Luftspalt zwischen der Zahnscheibe und dem Meßwertaufnehmer begrenzt. Eine solche Vorrichtung ist aus der FR 21 16 199 bekannt.

Ferner ist aus der DE 32 42 317 A1 eine Meßeinrichtung an einer Brennkraftmaschine zur ständigen Erfassung von Betriebspara­ metern bekannt, die eine geregelte Stromquelle enthält. Zur Vermeidung von Fehlern aufgrund der drehzahlabhängigen Amplitu­ de des Meßsignals wird bei dieser bekannten Meßeinrichtung der Gleichstrom eines Induktivgebers, insbesondere auch eines mit der Stromquelle angesteuerten Drehzahlsensors, geregelt. Auf diese Weise soll über den gesamten Drehzahl-, Temperatur- und Geberstreubereich ein amplitudenkonstantes Signal erzeugt wer­ den.

Schließlich ist aus der DE 31 34 020 A1 eine Anordnung zum Bestimmen der Drehzahl und Drehrichtung einer Welle bekannt, die einen 6-poligen Rotor in einem den Rotor umschließenden Rückschlußring aufweist. Das Magnetfeld wird dabei durch zwei um 120 Grad versetzt in dem Rückschlußring angeordnete, gegensinnig hintereinander geschaltete Spulen erzeugt, verläuft über den gesamten Rotor und induziert in einer weiteren, um weitere 120 Grad versetzten Abgriffspule das die Drehbewegung darstellende Meßsignal.

Vorrichtungen mit Meßgebern und Meßaufnehmern werden zum Beispiel zum Erfassen des Drehverhaltens der einzelnen Räder eines Kraftfahrzeuges und damit zur Bildung der Eingangsgröße eines Kraftfahrzeug-Regelungssystems, wie eines Blockierschutzregelungssystems, benötigt. Die Sensorsignale werden in dem Regler eines solchen Systems mit Hilfe festverdrahteter oder programmgesteuerter elektronischer Schaltkreise logisch verknüpft und verarbeitet. Auf diese Weise entstehen Steuersignale, die zum Beispiel elektromagnetisch betätigten hydraulischen Mehrwegeventilen zugeführt werden können und auf diese Weise zu der gewünschten Bremsdruckmodulation und schließlich zur Schlupfregelung führen.

Es sind induktive Meßvorrichtungen oder Meßwertaufnehmer in sehr unterschiedlicher Ausführungsart bekannt. In der DE-PS 20 19 801 ist ein Sensor beschrieben, der einen Dauermagneten enthält und ebenfalls an der Peripherie einer als Meßwertgeber dienenden, mit dem Körper umlaufenden Zahnscheibe angeordnet ist. Zwischen Polschuhen des Magneten und der Zahnscheibe besteht ein schmaler Luftspalt, in dem sich ein von den Dauermagneten erzeugtes Magnetfeld ausbildet. Durch den Wechsel von Zahn und Zahnlücke ändert sich beim Rotieren der Zahnscheibe das Magnetfeld und induziert in einer auf dem Dauermagnetkern aufgewickelten Meßspule ein Wechselsignal, dessen Frequenz die Drehbewegung der Zahnscheibe darstellt. Die Amplitude des Meßsignals wächst annähernd linear mit der Drehbewegung. Dies hat den Nachteil, daß bei langsamer Umdrehung nur ein Meßsignal sehr geringer Amplitude zur Verfügung steht, welches nur mit großem elektronischen Aufwand von den unvermeidbaren Störsignalen getrennt werden kann. Außerdem läßt sich nicht vermeiden, daß während des Stillstandes des Rades die Zahnscheibe durch das Feld des Dauermagneten aufmagnetisiert wird, was ebenfalls im Betrieb Störsignale zur Folge hat. Schließlich wird die Funktion dieses bekannten Sensors noch durch die Ansammlung von eisenhaltigen Partikeln beeinträchtigt, die sich unter dem Einfluß des Dauermagnetfeldes an den Polen ansammeln und zu Kurzschlußbrücken führen können.

Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen und Meßwertaufnehmer ähnlicher Art sind auch in der DE-PS 21 13 307 und DE 34 00 870 A1 dargestellt und beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zu schaffen, mit der über den gesamten Geschwindigkeitsbereich, der beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug von nahezu Stillstand bis zur Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeugs reicht, die Drehgeschwindigkeit gemessen werden kann. Insbesondere sollte auch bei geringen Geschwindigkeiten ein auswertbares Meßsignal gewonnen werden. Der Aufwand an mechanischen und elektronischen Bauteilen sollte möglichst gering sein.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 definierte Meßvorrichtung gelöst werden kann. Durch die elektronische Regelschaltung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung wird die Höhe des durch die Erregerwicklung fließenden Gleichstroms in Abhängigkeit von der Höhe des gleichgerichteten Meßsignals der Meßwicklung geregelt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird in dem Luftspalt zwischen dem Meßwertgeber und dem Meßwertaufnehmer anstelle eines Dauermagnetfeldes ein geregeltes magnetisches Feld aufgebaut. Bei ausgeschalteter Stromversorgung - dieser Zustand ist bei einem Kraftfahrzeug nach jedem Ausschalten der Zündung gegeben - wird das Magnetfeld zu Null, so daß Eisenpartikel oder Abrieb, der sich im Bereich des Luftspaltes am Pol oder an den Polschuhen angesammelt hat, abfallen kann und nicht mehr zu Betriebsstörungen führt. Außerdem wird durch die Regelung des Erregerstroms erreicht, daß gerade bei geringen Geschwindigkeiten ein hohes Magnetfeld entsteht, welches in dieser Betriebsphase ein Meßsignal mit vergleichsweise hoher Amplitude hervorruft. Mit ansteigender Geschwindigkeit wird dagegen der geregelte Erregerstrom geringer, wodurch die Belastung der Batterie abnimmt und wodurch ein Konstantbleiben oder nur mäßiges Ansteigen der Meßsignalamplitude erreicht wird. Die Auswertbarkeit des Meßsignals wird dadurch erheblich verbessert und der hierzu erforderliche elektronische Aufwand verringert.

Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Höhe des durch die Erregerwicklung fließenden Gleichstroms zumindest näherungsweise umgekehrt proportional zur Höhe des gleichgerichteten Meßsignals variiert.

Eine weitere Ausführungsart der Erfindung besteht darin, daß die Regelschaltung einen veränderlichen Widerstand, z. B. einen Transistor, enthält, über den die Erreger­ wicklung an eine Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle angeschlossen ist und der zumindest näherungsweise pro­ portional zu der Höhe des gleichgerichteten Meßsignals variierbar ist. Zwischen dem Steueranschluß des veränder­ lichen Widerstandes - das ist in dem vor genannten Sonder­ fall die Basis des Transistors - und dem Ausgang der Meß­ wicklung ist zweckmäßigerweise eine Verstärkerstufe mit nachgeschaltetem Gleichrichter, z. B. einem Einweggleich­ richter, vorgesehen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung, im Schnitt einen Meßwertaufnehmer der erfindungsgemäßen Art und dessen Anordnung gegenüber der Zahnscheibe, und

Fig. 2 eine besonders einfache Ausführungsart einer Regelschaltung zur Beeinflussung des Meßwertgeber-Erregerstroms.

Wie Fig. 1 zeigt, setzt sich der Meßwertaufnehmer 1 der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung im wesentlichen aus einem Kern 2 und zwei Spulen oder Wicklungen 3,4, nämlich einer Erregerwicklung und einer Meßwicklung, zusammen. Die beiden Spulen sind auf einen Spulenträger 5 aufge­ wickelt. Die Anschlusse der Wicklungen sind mit 6, 7 und 8 bezeichnet. Der Kern 2 besteht üblicherweise aus ferro­ magnetischem Material. Die ganze Anordnung befindet sich in einem Gehäuse 9, das die Anordnung vor mechanischen Einflüssen und vor Feuchtigkeit schützt.

Der Meßwertaufnehmer 1 ist z. B. an der Fahrzeugachse be­ festigt, während ein als Meßwertgeber ausgebildetes Zahn­ rad 10 mit dem Rad, der Welle oder einem anderen Dreh­ körper, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll, umläuft.

Der Kern 2 des Meßwertaufnehmers 1 ist an seiner der Zahnscheibe 10 zugewandten Stirn- oder Polseite 11 durch das Gehäuse hindurchgeführt und derart gestaltet, daß in dem Luftspalt zwischen der Zahnscheibe 10, dem Meßwert­ geber, und der Pol- oder Stirnseite 11 des Meßwertauf­ nehmers 1 ein Magnetfeld mit relativ hoher Dichte ent­ steht, so daß sich im Betrieb, wenn sich die Scheibe 10 dreht, beim Übergang von einem Zahn zu einer Zahnlücke der magnetische Fluß so stark ändert, daß selbst bei ge­ ringer Winkelgeschwindigkeit als Folge dieser Fluß­ änderung eine ausreichende Meßspannung in der Meßwicklung induziert wird. Dabei ist die Frequenz der Meßspannung der Winkelgeschwindigkeit und der Zähnezahl der Zahn­ scheibe 10 direkt proportional. Bei einem konstanten Er­ regerstrom würde die Höhe der Meßspannung proportional zu der Winkelgeschwindigkeit zunehmen und abnehmen.

Eine Regelschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulicht Fig. 2. Über die Anschlüsse 7 und 8 fließt in diesem Fall ein Erregerstrom, nämlich ein aus der Fahrzeugbatterie U_B, die hier als Spannungsquelle dient, abgeleiteter, geregelter Gleichstrom. Die Höhe dieses Erregerstroms wird mit Hilfe eines steuerbaren veränderlichen Widerstandes, hier eines Transistors T2, in Abhängigkeit von dem Meßsignal, das von den Klemmen 6 und 7 der Meßwicklung abgegriffen wird, geregelt. Hierzu ist an die Klemmen 6 und 7 der Meßwicklung über einen Koppelkondensator C1 eine Verstärkerstufe v1, die hier im wesentlichen aus einem Transistor T1, einem Spannungs­ teiler R1, R2 sowie aus den Kollektor- und Emitterwider­ ständen R3, R4 besteht, mit einem nachgeschalteten Einweg-Gleichrichter D1, C4 angeschlossen. Über einen Spannungsteiler R5, R6 am Ausgang des Einweg-Gleich­ richters D1, C4 wird der als veränderlicher Widerstand dienende Transistor T2, der die Höhe des Erregerstroms bestimmt, angesteuert. "B" bezeichnet die Basis, "E" den Emitter und "C" den Kollektor des Transistors T2.

Von den Klemmen 6, 7 der Meßwicklung 3 ist außerdem über hier nicht dargestellte Signalleitungen eine Auswerte­ schaltung angeschlossen, in der die Frequenz des Meß­ signals und damit die Informationen über das Raddrehver­ halten ausgewertet werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Regelschaltung arbeitet wie folgt:

Solange das Rad, dessen Winkelgeschwindigkeit gemessen werden soll, und damit die Zahnscheibe 10 stillsteht oder nur mit sehr geringer Geschwindigkeit rotiert, ist die Spannung am Ausgang des Einweggleichrichters bzw. über dem Spannungsteiler R5, R6 minimal. Nach dem Einschalten der Zündung und damit der Versorgungsspannung U_B wird daher der Transistor T2 über den Basiswiderstand R6 auf Durchlaß geschaltet. Über den Transistor T2 und über die Wicklung 4 fließt in dieser Phase der höchstmögliche, im wesentlichen nur durch den Emitterwiderstand R7 und den Innenwiderstand der Erregerwicklung 4 begrenzte Erreger­ strom.

Der Transistor T1 der Verstärkerschaltung ist zunächst ebenfalls über den Basiswiderstand R1 auf Durchlaß ge­ schaltet. Sobald jedoch die Amplitude des Meßsignals, nämlich die Wechselspannung zwischen den Klemmen 6 und 7, infolge höherer Winkelgeschwindigkeiten der Zahnscheibe 10 ansteigt, wird in der Sperrphase des Transistors T1 der Kondensator C4 am Ausgang der Verstärkerstufe V1 über den Kollektorwiderstand R3, den Kondensator C3 und die Diode D1 geladen. Über den Kondensator C4 und damit über dem Spannungsteiler R5, R6 entsteht ein Spannungsgefalle, das zu einer Anhebung des Potentials an der Basis B des Transistors T2 und damit zu einer Verringerung des über den Transistor T2 fließenden Erregerstromes führt. Dies hat wiederum eine Verringerung des Magnetfeldes zwischen dem Kern 2 und der Zahnscheibe 10 und damit der - bei gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit des Rades 10 - induzierten Spannung in der Meßwicklung 3 zur Folge. Durch diese "Gegenkopplung" wird die Amplitude des Meßsignals am Ausgang der Meßwicklung 3 (nahezu) unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit; jedenfalls ist die Amplitudenschwankung im Vergleich zu Meßwertauf­ nehmern mit konstantem Magnetfeld geringer. Die Auswert­ barkeit des Meßsignals, insbesondere die Trennung zwischen Stör- und Nutzsignal, wird auf diese Weise erheblich verbessert.

Die dargestellte Regelschaltung stellt eine von mehreren Möglichkeiten dar. Bei der Auslegung der Schaltung ist vor allem darauf zu achten, daß in der beschriebenen Weise der Erregerstrom - nach dem Einschalten der Zündung - bei stillstehendem Rad oder geringer Winkelge­ schwindigkeit ein Maximum annimmt und in einer von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängigen Weise bei steigendem Meßsignal oder Nutzsignal bis zu einem Mindestwert reduziert wird.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers und zur Erzeugung eines Wechselsignals, dessen Frequenz zu der Winkelgeschwindigkeit proportional ist, mit einem als Zahnscheibe (10) ausgebildeten Meßwertgeber, der sich mit dem Körper dreht, mit einem feststehenden, an der Peripherie der Zahnscheibe (10) durch einen Luftspalt getrennt angeordneten Meßwertaufnehmer (1), der eine von einem Gleichstrom durchflossene Erregerwicklung (4) und eine Meßwicklung (3) besitzt, in der bei einer Drehbewegung der Zahnscheibe (10) infolge der durch die Drehbewegung hervorgerufenen Magnetfeldänderung ein Meßsignal als Ausgangssignal des Meßwertaufnehmers (1) induziert wird, wobei die Erregerwicklung (4) und die Meßwicklung (3) des Meßwertaufnehmers (1) auf einem gemeinsamen Polstift als Spulenkern (2) aufgebracht sind, der eine der Zahnscheibe (10) zugewandte Polseite (11) besitzt, die den von dem Magnetfeld durchsetzten Luftspalt zwischen der Zahnscheibe (10) und dem Meßwertaufnehmer (1) begrenzt, und wobei eine elektronische Regelschaltung vorgesehen ist, welche die Höhe des durch die Erregerwicklung (4) fließenden Gleichstroms in Abhängigkeit von der Höhe des gleichgerichteten Meßsignals der Meßwicklung (3) regelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des durch die Erregerwicklung (4) fließenden Gleichstroms zumindest näherungsweise umgekehrt proportional zur Höhe des gleichgerichteten Meßsignals variierbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung einen veränderlichen Widerstand (T2) enthält, über den die Erregerwicklung (4) an eine Gleichspannungs- oder Gleichstromquelle (U_B) angeschlossen ist und der zumindest näherungsweise proportional zu der Höhe des gleichgerichteten Meßsignals variierbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als veränderlicher Widerstand (T2) ein von dem gleichgerichteten Meßsignal angesteuerter Transistor vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steueranschluß (B) des veränderlichen Widerstandes (T2) und dem Ausgang der Meßwicklung (3) eine Verstärkerstufe (V1) mit nachgeschaltetem Gleichrichter (D1, C4) vorgesehen ist.